关于电气化铁路断路器非对称短路开断能力问题探讨

2013-11-27翟铁久涂大石

铁道机车车辆 2013年1期

翟铁久，涂大石

（1 铁道部工程管理中心，北京100844；2 北京东方昱立电气技术有限公司100192）

众所周知，大多数供电系统网络均是电感性质的，因此当发生短路故障时，其短路电流都要伴随一个逐渐衰减的过渡过程，使得短路电流的波形不再是以时间为对称轴的正弦波，而是在交流分量的基础上伴有一个随时间衰减的直流分量（见图1）。

图1 短路关合和开断电流以及直流分量百分数的确定

当断路器进行开断时，直流分量有可能还没有衰减到不足以影响开断能力的时候，这就要考虑这种“非对称短路开断”的能力问题。GB 1984-2003《高压交流断路器》4.101条明确规定：额定短路开断电流由两个值表征：交流分量有效值和直流分量百分数。

只有直流分量不超过20%，额定短路开断电流只由交流分量的有效值表征。只要直流分量有可能大于20%，就要进行非对称短路电流开断能力试验。

过去电气化铁路牵引变电站的变压器容量比较小，供电电源一般是110kV，供电系统容量较小，这种情况下，断路器触头分离瞬间短路电流的直流分量很少超过20%。目前随着高速、重载铁路的发展，许多变电所变压器容量已达到63MVA以上，供电电源电压多采用220kV，部分采用330kV，供电系统容量越来越大。由于系统时间常数变大，直流分量衰减变慢，同时断路器的分闸时间又越来越短（真空断路器尤为明显），对断路器开断直流分量百分数的要求就需要相应提高。

在TB／T 2803-2003《电气化铁道用断路器技术条件》6.3.5条“额定短路开断电流次数试验”中只要求T100按O-CO-180s-CO顺序操作两次、单分操作15次以及合分操作9次，没有要求进行T100a（非对称短路电流开断试验）试验。虽然在GB／T××××-××××《电气化铁路27.5kV和2×27.5kV交流金属封闭开关设备和控制设备》（报批稿）中要求进行T100a试验，但因开断元件—断路器的标准没有明确，而缺乏强制执行的力度。

1 影响直流分量百分数的因素

直流分量百分数可按下式计算出来，也可以查图2确定。

其中Top为断路器首先分闸极的最短分闸时间，ms（这由断路器脱扣器固有动作时间决定）。

Tr为额定频率的一个半波时间（50Hz为10ms）（这由保护装置固有动作时间决定）。

τ为取决于所有故障源最终组合的时间常数，ms（标准时间常数，一般取45ms）。

例如，分闸时间为20～60ms的断路器（Top=20 ms），短路开断能力为31.5kA，用在50Hz电力系统（Tr=10ms），Top+Tr=30ms，查图2或用上式计算得知直流分量百分数则为51%，直流分量的幅值为16kA。这是对断路器的基本要求，如果不能验证现场的直流分量百分数小于20%，就必须通过此项试验的验证。

图2 对于标准时间常数τ1和特殊工况的时间常数τ2、τ3以及τ4，直流分量百分数与时间间隔（TOP＋TR）的关系曲线

铁路牵引变电所的馈线保护延时100ms，加上断路器固有动作时间、保护固有动作时间，实际故障延时应在140ms以上。延时100ms，是因为如短路发生在机车或动车组内部，则车上断路器先断开，切除故障，故障车退出运行，变电所馈线保护不动作，馈线继续供电，使线路上其他无故障车辆继续受电。因此当接触网故障时，由于上述延时，铁路牵引变电所馈线断路器开断时暂态成分已明显减弱，一般可以忽略不计。但是，馈线断路器要进行重合闸，如果故障没有消除，则会启动后加速跳闸，延时时间只有断路器固有动作时间、保护固有动作时间，一般不会超过40ms。这种情况下直流分量衰减幅度就十分有限了。

另外，为了限制短路电流，铁路牵引变压器的短路阻抗在8%～10%，X／R值相应增大，时间常数τ变大，直流分量衰减速度下降，不利于开断。

1.1 断路器首先分闸极的最短分闸时间Top

一般真空断路器的分闸时间Top在20～60ms之间，也有在25～60ms范围。动作时间之所以有这么大的范围，主要是因为辅助脱扣器的操作电压允许有65%～120%的变化范围，合闸后的扣接量也有随机性，也影响固有分闸时间。SF6断路器分闸时间Top一般在30～60ms。两者的差别原因前者是对接触头结构，动触头相对静触头一开始运动就开始分闸；而后者是插入式结构，动触头相对静触头运动到刚好不再保持电接触时才算开始分闸。所以真空断路器开断直流分量的百分数要高些。

从减轻开断负担方面讲，人为地延长最短分闸时间Top有利于短路开断，但对整个系统来讲，时间越短才越安全，所以这种方法并不可取。

1.2 额定频率的一个半波时间Tr

这个参数是考虑到保护装置的固有动作时间。对于自带脱扣器的断路器，由于不经过保护装置直接脱扣跳闸，Tr可以认定为零。其他辅助动力脱扣器的断路器，即使是速断无延时跳闸，因有保护装置的固有动作时间，Tr也不能认定为零。一般选为额定频率的一个半波时间（对50Hz来讲就是10ms），如果保护时间大于该值，则要重新考虑。

1.3 时间常数τ

时间常数τ取决于整个系统的阻抗与电阻的比值X／R。不同的电压等级、不同的系统结构其值都会发生变化。45ms的标准时间常数仅对三相系统有效，单相系统发生对地短路时的时间常数要小些，但具体数值（例如27.5kV或2×27.5kV系统）还没有得到任何试验验证。

国际电工委员会IEC SC17A会议（1998年）对“开关设备试验非对称电流能力规定的时间常数”公布了近似数据，见表1。

表1 不同条件的时间常数

对牵引变电站来讲，如果短路发生在线路远端，变压器容量为1MVA，则可认为是架空线短路，时间常数τ＜20ms。如果短路发生在线路近端（靠近出口断路器侧），变压器容量为1～10MVA，则可认为是变压器短路，时间常数50ms＜τ＜150ms。常见的牵引变电站变电容量多数在31.5～63MVA，按照最严酷的情况考虑，时间常数50ms＜τ＜150ms。如果按照标准时间常数45ms考虑也属正常、合理！

另外，从定性上讲，断路器实际开断的短路电流越小（当然小于额定短路开断电流），短路电流中的直流分量就允许增加，但这还没有一个规律可循。

2 直流分量对断路器灭弧能力的影响

直流分量对断路器灭弧能力的影响至今还没有专门研究也没有相关报道，只能从理论上进行定性分析。

影响灭弧室开断成功与否的主要因素是电弧的能量，也就是电弧电流的平方值对时间的积分，见图3所示的典型电弧能量示意。图中阴影部分就表示电弧的能量，EE′为起弧时刻，O″为电弧熄灭时刻，O′-O″燃弧时间。

电流在第1个零点很少熄灭，一般都在第2个零点熄灭。由图3可知，直流分量越大，燃弧时间就要加长，需要开断的能量越大。最严重的是起弧后电流首次不过零点，只能在第2次或第3次过零点时开断。由于触头烧蚀时间过长，金属气化严重这就容易开断失败。

图3 电弧能量示意

3 试验的数据分析

3.1 现场试验数据

铁道科学研究院为了试验验证距离保护（阻抗保护）的测距精度，2011-07-05在广（州）深（圳）（香）港高铁鱼窝头变电站—沙田分区所进行直接短路试验（见图4）。短路方式：接触网T线、F线带有额定电压时经分区所断路器直接接地短路，但合闸相位点是随机的。总共进行了4次试验。当时在沙田分区所、裕盛AT所、鱼窝头变电站都测量了电流、电压波形，因模拟短路是在沙田分区所，所以这里只选了沙田分区所的测试数据分析。

图4 短路试验回路

由于这项试验的目的是验证距离保护的测距精度，并没有分析暂态过程的目的，所以有以下几点并不满足短路开断要求：

（1）试验地点在距馈线断路器20km处，就要按架空线路的时间常数选择了，查表1得知时间常数＜20 ms。如果短路发生在鱼窝头变电所出口处，就要按10 MVA变压器的时间常数选择了。查表1得知时间常数为50～150ms。从图5～图8可以看出：每次短路发生后一个半周波时间电流就已经衰减到稳态电流值了。如果时间常数变大，衰减就不会这么快，断路器开断时的直流分量还有可能保持较高的分量。

（2）每次短路关合时间都是随机的，并没有一次在电压峰值点或零点关合，都是在峰值点的前1／4周波内关合。这就使得每次试验都没发生最严酷的暂态过程，直流分量也就没出现最大值（通过示波图可以算出：在第一个波峰时直流分量大约只有50%）。

图5 第1次短路试验

图6 第2次短路试验

图7 第3次短路试验

图8 第4次短路试验

图9为一个典型的三相非对称开断试验（T100a）的示波图（51%的直流分量）。由图可以看出：B相关合点在接近电压零点，B相电流的直流分量也最大（电流电压相位差接近90°）。当短路电流持续到第3个半波时断路器开始分断，电流再次过零点时电弧熄灭。此时B相的直流分量约为51%，这与上述图5～图8所述的衰减速度（3个周波衰减完毕）以及直流分量的百分数相差很大。

图9 三相短路试验

3.2 断路器直流分量型式试验数据分析

2011-11-01～2011-12-27某开关设备制造厂家在“机械工业高压电器设备质量检测中心（沈阳）”对KGN8-27.5型铠装固定式金属封闭开关设备进行型式试验。内装断路器为ZN108-27.5／3150-31.5型户内高压真空断路器，分闸时间为20～60ms，经计算其需开断的直流分量不小于51%。试验站采用电压、电流合成的方法进行试验，即一个回路提供给断路器低电压短路电流，另一回路在断口间施加一个高压直流电压。短路电流被开断后，如果电压施加成功，证明断口绝缘正常，否则说明断口绝缘没有恢复成功，试验失败。

图10 T100a合成试验示波图

图10为合成试验的示波图。由图可知，由于直流分量过大，短路电流在首个半波后几乎不能过零点，第1次与第2次零点间隔时间也很短。如果在首半波就进行开断，则有可能两次过零点时断口开距还不够大，电弧不能熄灭，直到第3个零点断口开距才够，但这已过去了30ms左右，触头已烧蚀严重，熄弧能力不足了。一般真空灭弧室燃弧时间只许在10～18ms范围内才安全。图10所示在90ms左右断路器开断，直流分量衰减到51%，2次过零点时熄弧，所加直流电压正常，表明开断成功。